线粒体在巨噬细胞抗菌活性中的致命性作用机制

《Infection and Immunity》：Powerhouses of lethality: mitochondria in macrophage antimicrobial activity

　　

巨噬细胞采用多种策略清除吞噬的微生物，包括使用有毒化合物和自由基进行轰击，或剥夺关键营养物质。巨噬细胞的致死性取决于其调节杀菌效应物水平的能力以及将这些效应物正确靶向至吞噬体（多数胞内病原体被滞留于此）的能力。线粒体在建立巨噬细胞抗菌性吞噬体环境中发挥重要作用，参与这些效应物的产生与靶向过程。在应对感染时，线粒体网络经历显著的结构与功能扰动，从而调节巨噬细胞的杀菌潜能。作为细胞代谢的核心协调者，线粒体控制着代谢物的丰度，这些代谢物可能对摄入的微生物具有毒性，也可能是其生长所必需。线粒体还是活性氧（reactive oxygen species, ROS）的高产来源，ROS不仅直接参与杀灭微生物，还作为信号分子协调抗菌反应。尽管已知线粒体在调控细胞因子产生和促炎反应中发挥广泛作用，本综述将聚焦于阐明线粒体操纵巨噬细胞杀菌微环境的机制。

论文主体内容总结

引言：关键的巨噬细胞杀菌效应物

巨噬细胞杀灭微生物的能力依赖于在吞噬体内诱导或剥夺关键分子与元素，这一过程受包括线粒体在内的独立膜结合细胞器调控。吞噬体通过与内涵囊泡和溶酶体融合成熟为吞噬溶酶体，该过程对限制大多数微生物至关重要，因为它建立了降解性环境。吞噬体成熟通过液泡ATP酶酸化作用激活酸性水解酶活性，并维持吞噬体膜完整性。尽管线粒体和内溶酶体网络是不同的区室，但这些细胞器之间的相互作用促进了溶酶体功能（包括酸化）。酸化作用增强了巨噬细胞杀菌效应物的活性，以限制和杀灭摄入的微生物。近期发现的新型抗菌/杀菌效应物（如有毒醛类和去垢剂样蛋白）及其调控因子（如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸补救途径成员NAMPT和阳离子通道蛋白P2RX7）表明，病原体在巨噬细胞吞噬体内被杀死的机制高度复杂。已确定的抗菌效应物和调控因子包括活性氧（ROS）和活性氮（RNS）、代谢重塑以增加衣康酸等抗菌代谢物，以及金属过载引起的毒性。考虑到这些效应物潜在的自身毒性，它们必须被精确调控并靶向至吞噬体。巨噬细胞还能通过消耗吞噬体内的微量金属、维生素和氨基酸来使病原体饥饿。线粒体是这一调控过程的核心。

线粒体产生抗菌效应物

线粒体对ROS丰度和运输的调控

线粒体是细胞内氧气的主要消耗者和ROS的重要来源。线粒体内多个位点和电子传递链均可产生ROS，但大部分来源于通过复合体I的反向电子传递（reverse electron transport, RET）。感染及相关信号可触发线粒体ROS产量增加，从而增强巨噬细胞的杀菌活性。这种线粒体ROS的诱导可由Toll样受体（TLR）信号启动，该信号作用于E3泛素连接酶TRAF6，后者泛素化ECSIT并使其富集于线粒体外周。ECSIT与复合体I结合，促进其组装、活性和电子传递功能，从而在感染期间增加线粒体ROS的产生。线粒体的丰度及其与吞噬体的接近程度也可能是细菌杀伤的重要调控因素。由腺苷酸激酶4介导的线粒体生物发生支持线粒体ROS产生和巨噬细胞抗菌活性。先前的研究表明，由激酶MST1和MST2以及TRAF6-ECSIT复合体介导的线粒体向吞噬体的募集，可增强线粒体ROS产生和细菌杀伤。Abuaita等人证明，线粒体衍生囊泡（mitochondria-derived vesicles, MDVs）有助于将线粒体来源的过氧化氢递送至含细菌的吞噬体，以增强杀菌活性。该过程依赖于线粒体应激因子Parkin和线粒体超氧化物歧化酶2（SOD2），前者刺激MDV生成并靶向溶酶体，后者生成用于吞噬体递送的过氧化氢。此外，线粒体可通过间接调节NOX2活性，在白色念珠菌感染期间促进吞噬体内的ROS生成。由线粒体钙单向转运体介导的线粒体钙摄取刺激三羧酸循环酶的活性，增加NOX2复合体的底物NADPH，从而导致吞噬体ROS升高。由机械敏感通道Piezo1介导的TLR4信号也可刺激线粒体钙摄取和线粒体-吞噬体并列，从而增强线粒体和吞噬体ROS，增强细菌杀伤。

ROS的抗菌效应

ROS被认为是吞噬细胞最有效的杀菌效应物之一。主要ROS包括超氧化物、过氧化氢和羟基自由基。巨噬细胞吞噬病原体后，由NOX2吞噬细胞氧化酶复合体在吞噬体中合成超氧化物。然而，超氧化物本身不能穿过脂质膜，对生物分子的损伤也不强。超氧化物可自发或经SOD催化歧化为过氧化氢，后者具有反应性并能损伤生物分子，主要通过DNA损伤介导细菌杀伤。过氧化氢的毒性可能主要通过芬顿反应介导，其中亚铁离子将过氧化氢还原为高反应性的羟基自由基。羟基自由基可引起蛋白质、膜脂和核酸的氧化损伤，也可能通过DNA损伤发挥杀菌活性。

线粒体对中心碳代谢的调控及其对杀菌活性的影响

感染期间线粒体对巨噬细胞代谢的调控及其对杀菌效应物的下游影响

在应对感染或相关信号（如TLR激动剂或干扰素-γ处理）时，巨噬细胞常经历从氧化磷酸化（OXPHOS）到有氧糖酵解的代谢转变。线粒体是巨噬细胞响应感染刺激而发生代谢重塑的核心。TLR信号感应微生物信号导致三羧酸循环活性改变，引起细胞代谢的深刻变化，影响促炎输出和杀菌活性。三羧酸循环因异柠檬酸脱氢酶（IDH）表达降低和琥珀酸脱氢酶（SDH）解聚而中断。IDH转录水平下降导致通量重定向，上游代谢物异柠檬酸、乌头酸和柠檬酸水平升高。这为IRG1提供了燃料，其在活化巨噬细胞中表达被诱导，催化乌头酸转化为衣康酸。衣康酸在巨噬细胞中的充分诱导具有直接的抗菌作用，因为它可以抑制微生物的异柠檬酸裂合酶。单羧酸转运蛋白1和4（MCT1和MCT4）促进衣康酸跨质膜和吞噬体膜的转运以实现细菌杀伤。衣康酸水平升高的另一个效应是抑制线粒体SDH活性，导致促炎巨噬细胞中琥珀酸积累。琥珀酸积累稳定了HIF-1α，从而触发糖酵解和促炎输出。此外，柠檬酸丰度通过天冬氨酸-精氨琥珀酸分流的诱导而增加，线粒体柠檬酸载体（CIC）的转录水平也升高。CIC的耗竭减少了NO和ROS的产生，表明胞质柠檬酸丰度的增加支持NO和ROS的产生。糖酵解代谢也支持NO的产生，因为乳酸的产生允许在编码诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的Nos2基因启动子处发生组蛋白乳酰化。

NO的抗菌效应

与超氧化物不同，NO可以轻易扩散穿过膜，因此能在病原体中积累并产生直接的抗菌效应。NO还可与超氧化物反应生成过氧亚硝酸盐，进而生成其他活性氮物种（RNS）。RNS通过靶向参与生物合成途径和OXPHOS的代谢酶或引起DNA损伤，发挥广谱抗菌和杀菌效应。鉴于NO广泛的反应性，需要将其靶向至吞噬体才能在不造成严重自身损伤的情况下发挥抗菌效应。除了直接的抗菌作用外，NO还通过NO介导的蛋白质翻译后修饰（如S-亚硝基化）充当宿主信号分子，在巨噬细胞活化过程中关键性地破坏OXPHOS和三羧酸循环。

线粒体调控醛类丰度的拟议机制

在应对感染时增加有氧糖酵解的一个附加特征是产生醛类作为中间产物或副产物。醛类是吞噬细胞可大量产生的一类新兴杀菌效应物，其丰度很可能受线粒体调控。线粒体对代谢重编程的影响以及线粒体ROS很可能是感染期间醛类丰度增加的促成因素。线粒体也是辅酶Q生物合成的场所，辅酶Q可被运输至质膜以限制脂质过氧化和铁死亡，揭示了线粒体过程对内源性醛类毒性的潜在保护功能。

醛类作为新兴杀菌效应物

Darwin和Stanley提出醛类是吞噬细胞利用的一类可诱导的杀菌效应物。甲基乙二醛（MG）最近被证实在感染的巨噬细胞中增加并充当抗菌效应物。MG是糖酵解过程中的副产物，其解毒主要由哺乳动物中的乙二醛酶系统介导。巨噬细胞受LPS+IFN-γ、TLR2激动剂Pam3CSK4或单独IFN-γ刺激后，Glo1转录水平下降，MG水平相应升高。MG丰度的增加依赖于己糖激酶-2，表明糖酵解通量触发了MG水平的升高。乙醛脱氢酶2（ALDH2）缺陷已被证明能增强小鼠对结核分枝杆菌和土拉弗朗西斯菌的控制。ALDH2可解毒内源性醛类，如甲醛和脂质过氧化产物4-羟基壬烯醛（4-HNE）。

线粒体调控吞噬体营养可用性的拟议框架

线粒体对金属稳态的调控及其与吞噬体相互作用的潜力

微量元素是宿主-病原体界面的关键要素。病原体必须从宿主环境中获取铁、铜、锰和锌等金属才能复制和存活。因此，宿主防御的一种形式是营养免疫，即从病原体中隔离微量元素以限制病原体复制。线粒体是铁硫簇和血红素生物合成的主要场所，也是铁的储存库，持有细胞总铁的20%-50%。线粒体可通过结合线粒体铁蛋白（FTMT）来储存铁。FTMT在巨噬细胞中的表达在缺氧或LPS处理后增加，并且可被凝血酶切割并从线粒体中释放出来，揭示了一种感染期间的潜在铁螯合策略。线粒体在调节过量铁驱动的细胞死亡（铁死亡）中也发挥广泛作用。

吞噬体铁耗竭的确立机制

吞噬体金属水平由转运蛋白调节，这些转运蛋白可以消耗这些微量营养素以使被吞噬的病原体无法获得，而这可能依赖于线粒体的调控。SLC11A1是一种二价阳离子转运蛋白，最初被发现能赋予对胞内寄生虫和细菌病原体感染的抵抗力。后续研究表明SLC11A1是一种能够消耗吞噬体内必需金属以抑制微生物复制的吞噬体转运蛋白。SLC11A1催化Mn²⁺、Fe²⁺和Mg²⁺的转运。细菌感染还会触发铁转运蛋白铁转运蛋白从吞噬体膜上移除，以限制铁从胞质进入吞噬体。IFN-γ处理巨噬细胞通过降低转铁蛋白受体1的表达减少铁摄取，并通过增加铁输出蛋白铁转运蛋白1的表达增加铁外流，从而在沙门氏菌感染期间限制吞噬体内的铁。

线粒体铜

与营养免疫相反，金属离子在过量浓度下也具有反应性和毒性，这可用于吞噬体内的病原体杀伤，正如吞噬体铜毒化所示。线粒体是铜的主要储存位点，铜用于呼吸链复合体IV（细胞色素c氧化酶）或线粒体SOD1。线粒体对过量铜也很敏感，因为线粒体三羧酸循环酶是过量铜的靶点，会导致其聚集、蛋白毒性应激和铜诱导的细胞死亡（铜死亡）。铜转运ATP酶ATP7A已知会重新定位至吞噬体以介导铜毒化，它是保护线粒体免受过量铜损害所必需的。

吞噬体铜毒化的确立机制

金属可以被泵入吞噬体以毒化病原体。ATP7A介导的过量铜毒化是通过将铜泵入吞噬体实现的。在巨噬细胞中，ATP7A可以在感染或IFN-γ处理期间从高尔基体运输到吞噬体，以增加吞噬体中的铜水平并毒化病原体。铜对细菌和真菌的主要毒性机制是破坏铁硫簇酶。铜还能使细菌对过氧化氢应激更加敏感，从而增强吞噬体的杀菌活性。

超越金属：线粒体如何在吞噬体中使病原体饥饿

虽然营养免疫经典上指从微生物中隔离微量元素，但宿主使微生物缺乏必需营养素的策略并不限于金属。由于线粒体是古老的内共生体和半自主细胞器，可以想象它们可能与入侵病原体竞争获取巨噬细胞内的必需营养素。在弓形虫感染的背景下，线粒体被招募至纳虫空泡，在那里发生融合并从弓形虫中吸取脂肪酸以限制其生长。弓形虫效应物触发应激激活的线粒体蛋白酶OMA1的激活，后者向eIF2α激酶HRI发出信号以诱导整合应激反应（ISR）和转录因子ATF4的产生。ATF4被发现能刺激线粒体一碳代谢过程，该过程使用叶酸。这种线粒体一碳代谢的增加从弓形虫中螯合叶酸，限制了其对胸苷一磷酸的叶酸依赖性合成，从而限制弓形虫的复制。色氨酸也被证实在某些感染（如组织胞浆菌、弗朗西斯菌、沙门氏菌和结核分枝杆菌）期间在吞噬体内受到限制。